本發(fā)明涉及一類具有水溶解特性的軟脆功能晶體的微納加工技術(shù)，特別涉及一種kdp晶體水溶解微納加工方法。

背景技術(shù)：

kdp晶體由于其自身所具備的諸多優(yōu)異性能(如：壓電特性、電光特性、鐵電特性以及非線性光學特性)，使其廣泛的應(yīng)用于能源、航空航天、國防軍工、基礎(chǔ)物理研究等國家核心戰(zhàn)略領(lǐng)域。然而由于kdp軟脆功能晶體具有各向異性、對溫度敏感、易溶于水等不利于超精密加工的材料特性，致使現(xiàn)階段大尺寸、高精度kdp晶體供應(yīng)短缺，嚴重的制約了icf(慣性約束核聚變)工程整體進度及裝置輸出能量水平，是該工程的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸環(huán)節(jié)。spdt(單點金剛石切削)作為kdp晶體現(xiàn)階段的主要加工方式，仍無法有效避免小尺度波紋缺陷，造成激光損傷閾值低下，嚴重的影響了kdp晶體在icf裝置中的使役性能。mrf(磁流變拋光)和ibf(離子束拋光)作為新興的kdp晶體超精密加工方法，均存在方法缺陷，如：mrf方法磁性介質(zhì)嵌入及拋光液殘留，ibf方法材料去除率低下。

在以往針對具備水溶解特性的晶體器件拋光方法專利技術(shù)中，有一些不同類型的例子：

中國專利cn101310922a公開了《磷酸二氫鉀晶體潮解拋光方法》，該方法基于全尺寸拋光技術(shù)，采用乙醇與水以一定比例配置成的拋光液，針對經(jīng)過金剛石切削技術(shù)處理后的kdp晶體進行超精密拋光，有效避免了磨粒嵌入晶體加工表面的弊端。然而，由于乙醇具有易揮發(fā)特性，使拋光液中各組分比例發(fā)生變化，造成拋光液性能的改變，進而影響晶體表面加工質(zhì)量。此外，該方法中提及采用溫度高于水沸點1～8℃的常壓水蒸氣對處于封閉環(huán)境中的kdp晶體進行拋光。但是，高溫水蒸氣會造成拋光環(huán)境溫度的劇烈變化，容易導致對溫度敏感的脆性kdp晶體破裂。

中國專利zl200910010268.2公開了《一種用于軟脆易潮解晶體的非水基無磨料拋光液》，該型拋光液基于具備“油包水”結(jié)構(gòu)的無磨料化學機械拋光液，實現(xiàn)對kdp晶體的超精密拋光。該型拋光液采用油性介質(zhì)作為基載液，具有優(yōu)秀的流動性及穩(wěn)定性，有利于超光滑光學表面的獲得。然而，為清除kdp晶體加工后表面拋光液殘留所引入的清洗操作大幅增加了發(fā)生二次損傷的可能性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種能實現(xiàn)以下目的的kdp晶體水溶解微納加工系統(tǒng)及其工方法：

1、避免由于拋光液各組分比例變化所造成的拋光液性能改變；

2、避免容易引發(fā)kdp晶體破裂的拋光環(huán)境溫度劇烈變化；

3、避免kdp晶體超精密拋光后的清洗操作及其可能導致的二次損傷；

4、去除spdt方法在kdp晶體表面產(chǎn)生小尺度波紋。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

kdp晶體水溶解微納加工系統(tǒng)，包括拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置、拋光裝置和夾持裝置，所述的夾持裝置將kdp晶體工件壓在夾持裝置上，所述的拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置位于拋光裝置的一側(cè)，向拋光裝置提供拋光液。

進一步地，所述的拋光裝置包括拋光墊、恒溫循環(huán)水、拋光盤和內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)；所述的拋光墊通過背膠粘貼在拋光盤上，所述的內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)位于拋光盤內(nèi)部，所述的恒溫循環(huán)水在內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)循環(huán)流動，保持拋光盤表面溫度恒定；

所述的夾持裝置包括夾持板和加壓平臺，所述的加壓平臺安裝在夾持板上；

所述的拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置包括拋光液在線施加部件、迷宮式流道腔室、緩沖器、控制系統(tǒng)、混合液輸送管路、高純?nèi)ルx子水腔室、飽和磷酸二氫鉀溶液腔室、電控伺服閥、電熱絲、攪拌機構(gòu)和保溫層；所述的高純?nèi)ルx子水腔室和飽和磷酸二氫鉀溶液腔室位于調(diào)控裝置的上部，通過電控伺服閥依次與混合液輸送管路、緩沖器、迷宮式流道腔室和拋光液在線施加部件連接；所述的保溫層構(gòu)成調(diào)控裝置的外殼，保溫層內(nèi)設(shè)置電熱絲；所述的混合液輸送管路內(nèi)設(shè)置攪拌機構(gòu)。

kdp晶體水溶解微納加工方法，包括以下步驟：

a、按照如下規(guī)則設(shè)定相關(guān)工藝參數(shù)：

a1、通過拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置設(shè)置磷酸二氫鉀溶液的質(zhì)量百分比濃度，濃度范圍為0.5％-20％；

a2、通過拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置設(shè)置磷酸二氫鉀溶液的溫度，溫度范圍為25-65℃；

a3、通過拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置設(shè)置磷酸二氫鉀溶液的溶液單位時間施加量，單位時間施加量范圍為15-1000ml/min；

a4、通過加壓平臺設(shè)置施加于夾持板上的拋光壓力，拋光壓力范圍為0.5-50kpa；

a5、設(shè)置拋光盤的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為6-150r/min；

a6、設(shè)置拋光盤的恒溫循環(huán)水溫度與磷酸二氫鉀溶液的溫度一致；

b、按照如下操作方法開展水溶解微納加工作業(yè)：

b1、啟動拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置，通過控制系統(tǒng)預置程序設(shè)定目標拋光液的質(zhì)量百分比濃度、溶液溫度、單位時間施加量，之后機器依靠電熱絲進行內(nèi)部環(huán)境溫度調(diào)整；與此同時，向拋光盤內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)通入與拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置溫度設(shè)定相一致的恒溫循環(huán)水；

b2、將準備好的kdp晶體工件安裝在夾持板下，設(shè)定加壓平臺施加的壓力量值并進行壓力輸出，保證kdp晶體工件加工面與拋光墊緊密接觸；

b3、等待拋光盤、高純?nèi)ルx子水腔室、飽和磷酸二氫鉀溶液腔室的溫度達到拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置的溫度設(shè)定后開始磷酸二氫鉀溶液配置作業(yè)；此時電控伺服閥按照程序設(shè)定完成開度調(diào)整，飽和磷酸二氫鉀溶液和高純?nèi)ルx子水在流經(jīng)帶有攪拌機構(gòu)的混合液輸送管路、緩沖器、迷宮式流道腔室的過程中實現(xiàn)均勻混合，獲得目標磷酸二氫鉀溶液，之后經(jīng)拋光液在線施加部件輸送至拋光墊表面；

b4、磷酸二氫鉀溶液施加到拋光墊后，拋光盤及kdp晶體工件開始各自的旋轉(zhuǎn)運動，在壓力作用下拋光墊配合磷酸二氫鉀溶液與kdp晶體工件產(chǎn)生持續(xù)性的接觸作用，進而實現(xiàn)水溶解微納加工。

與現(xiàn)有專利技術(shù)相比，本發(fā)明具備以下有益效果：

1、本發(fā)明利用材料本身所具備的水溶解特性這一客觀自然規(guī)律，創(chuàng)造性的采用一系列具備不同溫度和質(zhì)量百分比濃度的磷酸二氫鉀溶液實現(xiàn)kdp晶體的超光滑表面高效創(chuàng)成；

2、本發(fā)明使用的磷酸二氫鉀溶液不含有任何類似于酒精的易揮發(fā)組分，顯著減小了拋光液各組分比例隨時間的變化，保證了拋光液性能的長期穩(wěn)定，進而提高了水溶解微納加工材料去除及表面平坦化行為的穩(wěn)定性；

3、本發(fā)明采用拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置與帶有溫度調(diào)控功能的拋光盤相配合的方式實現(xiàn)了磷酸二氫鉀溶液從原料到混合再到參與加工作業(yè)全過程溫度的恒定，同時保障了kdp晶體所處加工環(huán)境溫度的平穩(wěn)性，進而有效防止了kdp晶體因拋光環(huán)境溫度劇烈變化所導致的破裂；

4、本發(fā)明通過調(diào)節(jié)磷酸二氫鉀溶液的質(zhì)量百分比濃度、溶液溫度、單位時間施加量實現(xiàn)了材料去除速率的大幅增加，進而完成了kdp晶體表面粗加工紋理及spdt方法小尺度波紋的快速去除，并顯著降低了原有損傷層深度；

5、本發(fā)明采用作為kdp晶體自身材料——磷酸二氫鉀的水溶液進行水溶解微納加工，防止了雜質(zhì)成分的引入，進而從方法原理層面避免了傳統(tǒng)清洗操作，排除了發(fā)生二次損傷的可能性，提高了激光損傷閾值；

6、本發(fā)明通過在加工中適時調(diào)節(jié)磷酸二氫鉀溶液的質(zhì)量百分比濃度、溶液溫度、單位時間施加量實現(xiàn)拋光液性能的調(diào)整，進而改變水溶解微納加工中材料的去除行為，在同一設(shè)備上實現(xiàn)了kdp晶體切割毛坯件的后續(xù)全部機械加工工序，大幅減少了由于搬運及裝夾操作所導致的損傷，降低了廢品率，提高了加工效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置內(nèi)部主要構(gòu)造示意圖。

圖3是本發(fā)明去除及表面平坦化原理示意圖。

圖中：1、拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置；2、磷酸二氫鉀溶液；3、拋光墊；4、kdp晶體工件；5、夾持板；6、加壓平臺；7、恒溫循環(huán)水；8、拋光盤；9、內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)；10、拋光液在線施加部件；11、迷宮式流道腔室；12、緩沖器；13、控制系統(tǒng)；14、混合液輸送管路；15、高純?nèi)ルx子水腔室；16、飽和磷酸二氫鉀溶液腔室；17、電控伺服閥；18、電熱絲；19、攪拌機構(gòu)；20、保溫層；21、溶解層；22、凸峰處溶解層；23、凹谷處溶解層；24、高濃度溶液層。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的具體實施方式結(jié)合技術(shù)方案及附圖進行詳細說明。

如圖1-3所示，kdp晶體水溶解微納加工系統(tǒng)，包括拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1、拋光裝置和夾持裝置，所述的夾持裝置將kdp晶體工件4壓在夾持裝置上，所述的拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1位于拋光裝置的一側(cè)，向拋光裝置提供拋光液。

進一步地，所述的拋光裝置包括拋光墊3、恒溫循環(huán)水7、拋光盤8和內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)9；所述的拋光墊3通過背膠粘貼在拋光盤8上，所述的內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)9位于拋光盤8內(nèi)部，所述的恒溫循環(huán)水7在內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)9循環(huán)流動，保持拋光盤8表面溫度恒定；

所述的夾持裝置包括夾持板5和加壓平臺6，所述的加壓平臺6安裝在夾持板5上；

所述的拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1包括拋光液在線施加部件10、迷宮式流道腔室11、緩沖器12、控制系統(tǒng)13、混合液輸送管路14、高純?nèi)ルx子水腔室15、飽和磷酸二氫鉀溶液腔室16、電控伺服閥17、電熱絲18、攪拌機構(gòu)19和保溫層20；所述的高純?nèi)ルx子水腔室15和飽和磷酸二氫鉀溶液腔室16位于調(diào)控裝置的上部，通過電控伺服閥17依次與混合液輸送管路14、緩沖器12、迷宮式流道腔室11和拋光液在線施加部件10連接；所述的保溫層20構(gòu)成調(diào)控裝置的外殼，保溫層20內(nèi)設(shè)置電熱絲18；所述的混合液輸送管路14內(nèi)設(shè)置攪拌機構(gòu)19。

kdp晶體水溶解微納加工方法，包括以下步驟：

a、按照如下規(guī)則設(shè)定相關(guān)工藝參數(shù)：

a1、通過拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1設(shè)置磷酸二氫鉀溶液2的質(zhì)量百分比濃度，濃度范圍為0.5％-20％；

a2、通過拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1設(shè)置磷酸二氫鉀溶液2的溫度，溫度范圍為25-65℃；

a3、通過拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1設(shè)置磷酸二氫鉀溶液2的溶液單位時間施加量，單位時間施加量范圍為15-1000ml/min；

a4、通過加壓平臺6設(shè)置施加于夾持板5上的拋光壓力，拋光壓力范圍為0.5-50kpa；

a5、設(shè)置拋光盤8的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為6-150r/min；

a6、設(shè)置拋光盤8的恒溫循環(huán)水7溫度與磷酸二氫鉀溶液2的溫度一致；

b、按照如下操作方法開展水溶解微納加工作業(yè)：

b1、啟動拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1，通過控制系統(tǒng)13預置程序設(shè)定目標拋光液的質(zhì)量百分比濃度、溶液溫度、單位時間施加量，之后機器依靠電熱絲18進行內(nèi)部環(huán)境溫度調(diào)整；與此同時，向拋光盤8內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)9通入與拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1溫度設(shè)定相一致的恒溫循環(huán)水7；

b2、將準備好的kdp晶體工件4安裝在夾持板5下，設(shè)定加壓平臺6施加的壓力量值并進行壓力輸出，保證kdp晶體工件4加工面與拋光墊3緊密接觸；

b3、等待拋光盤8、高純?nèi)ルx子水腔室15、飽和磷酸二氫鉀溶液腔室16的溫度達到拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1的溫度設(shè)定后開始磷酸二氫鉀溶液2配置作業(yè)；此時電控伺服閥17按照程序設(shè)定完成開度調(diào)整，飽和磷酸二氫鉀溶液2和高純?nèi)ルx子水在流經(jīng)帶有攪拌機構(gòu)19的混合液輸送管路、緩沖器12、迷宮式流道腔室11的過程中實現(xiàn)均勻混合，獲得目標磷酸二氫鉀溶液2，之后經(jīng)拋光液在線施加部件10輸送至拋光墊3表面；

b4、磷酸二氫鉀溶液2施加到拋光墊3后，拋光盤8及kdp晶體工件4開始各自的旋轉(zhuǎn)運動，在壓力作用下拋光墊3配合磷酸二氫鉀溶液2與kdp晶體工件4產(chǎn)生持續(xù)性的接觸作用，進而實現(xiàn)水溶解微納加工。

本發(fā)明的工作原理如下：

作為kdp晶體化學成分的磷酸二氫鉀kh2po4是一種易溶于水的鉀鹽。由于kdp晶體是在磷酸二氫鉀過飽和溶液中基于結(jié)晶機制實現(xiàn)生長的，所以kdp晶體在欠飽和磷酸二氫鉀溶液2中的水溶解材料去除行為就可以看成晶體的逆向生長過程。采用逆向生長原理實現(xiàn)kdp晶體材料微納去除是一種具有廣泛應(yīng)用前景的高效、無污染、無機械損傷的加工方法。本發(fā)明所述的水溶解微納加工方法就是基于晶體逆向生長原理。該加工方法的材料去除及表面平坦化機制為：在kdp晶體工件4與拋光墊3相對靜止時，位于kdp晶體工件4與拋光墊3之間的磷酸二氫鉀溶液2與kdp晶體工件4表面接觸并發(fā)生水溶解作用，晶體表面形成硬度低于基體的溶解層21。由于磷酸二氫鉀溶液2處于靜止狀態(tài)，新獲得的溶質(zhì)在靠近晶體表面附近不斷累積，形成高濃度溶液層24。由于溶質(zhì)擴散速率較低，距離晶體表面較遠的磷酸二氫鉀溶液2材料去除性能得不到發(fā)揮，導致kdp晶體工件4的水溶解速率在一定的時間內(nèi)得到了抑制。當kdp晶體工件4與拋光墊3產(chǎn)生相對運動時，磷酸二氫鉀溶液2由靜止狀態(tài)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)。晶體表面凸峰處溶解層22直接暴露在拋光墊3附近高速流動的液體環(huán)境中，材料去除速率明顯提高。此時，晶體表面凹谷處溶解層23處于半封閉環(huán)境中，導致位于該區(qū)域的液體流動性明顯低于凸峰部位，材料去除速率相對低下?；诓町愋缘牟牧先コ俾侍卣鳎w表面凸峰與凹谷之間距離逐漸減小，使加工表面逐漸趨于平坦。

實施例：如圖1-3所示，啟動拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1，在控制系統(tǒng)13選擇預置拋光液配置程序(溫度50℃、質(zhì)量百分比濃度16％、流量50ml/min)；控制系統(tǒng)13操作電熱絲18進行加熱，在該過程中保溫層20的存在確保了裝置內(nèi)部溫度的穩(wěn)定可控，當高純?nèi)ルx子水腔室15和飽和磷酸二氫鉀溶液腔室16內(nèi)部液態(tài)組分溫度到達50℃后開始磷酸二氫鉀溶液2配置作業(yè)。此時控制系統(tǒng)13發(fā)出信號，控制電控伺服閥17完成開度變化，在兩種液態(tài)組分依次流經(jīng)內(nèi)嵌有攪拌機構(gòu)19的混合液輸送管路14、緩沖器12、迷宮式流道腔室11的過程中實現(xiàn)均勻混合，在拋光液在線施加部件10處獲得質(zhì)量百分比濃度為16％、溫度為50℃、流量為50ml/min的磷酸二氫鉀溶液2；此后，配置好的磷酸二氫鉀溶液2到達拋光墊5的上表面。

經(jīng)過鋸切加工獲得的kdp晶體工件4通過夾持裝置實現(xiàn)裝夾，設(shè)定拋光壓力為20kpa；向拋光盤8中的內(nèi)嵌流道結(jié)構(gòu)9通入50℃的恒溫循環(huán)水7，與拋光液性能連續(xù)實時調(diào)控裝置1的溫度設(shè)定相一致，拋光盤8的轉(zhuǎn)速設(shè)定為80r/min，當檢測到拋光盤8的溫度達到50℃時開始水溶解微納加工作業(yè)；

在水溶解微納加工中kdp晶體工件4表面凸峰處溶解層22直接暴露在拋光墊附近高速流動的液體環(huán)境中，材料去除速率明顯提高；此時，kdp晶體工件4表面凹谷處溶解層23處于半封閉環(huán)境中，導致位于該區(qū)域的液體流動性明顯低于凸峰部位，材料去除速率相對低下；基于差異性的材料去除速率特征，kdp晶體表面凸峰與凹谷之間距離逐漸減小，最終實現(xiàn)加工表面的平坦化。

本發(fā)明不局限于本實施例，任何在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)的等同構(gòu)思或者改變，均列為本發(fā)明的保護范圍。